低温热泵用涡旋压缩机性能的试验研究
由于空气源热泵一机两用的特点、环保高效的优势，因而长期以来许多企业、研究机构一直在致力于解决空气源热泵在低温工况下的制热问题。国内外研究人员现已开发出多种在低温环境下使用的热泵，如开利公司研制出的使用非共沸工质的带精馏塔的空气源热泵;日本KatsujiYamagami在1999年提出利用燃油、燃气燃烧器辅助加热的热泵空调器;Sami S.M.提出利用中央空调系统的排风或者回风中的热量改变空气源热泵蒸发器表面流过的空气的温度，以此改进空气源热泵的低温制热性能等。
对于空气源热泵而言，衡量改进方案优劣的重要标准是：系统是否简单可靠、易于实施;系统能否兼顾正常工作情况以及极端工作情况下的系统性能。从这个角度出发，2000年马国远教授提出的利用带辅助进气口的涡旋压缩机实现带经济器的准二级压缩空气源热泵系统来提高空气源热泵在低温工况下的制热性能是一个最为经济合理的方案。但是在这一技术具体工程实施时，还有一系列问题需要解决：如何确定在不同的外界工况条件下最优的涡旋压缩机辅助进气口位置，准二级压缩热泵用涡旋压缩机如何根据实际情况确定合理的运行模式等。
一 试验研究
1.1 试验目的
测试准二级压缩热泵用涡旋压缩机在低温环境工况下的制热性能，并记录和分析机组在不同工况下运行的相关数据。
1.2 试验台说明
图1所示为试验样机的系统原理图。所采用的压缩机是某厂家所生产的型号为C-SB373H8A 的中间补气涡旋压缩机改造而成的试验机，其主要技术参数为：吸气容积为83.4 cm3/r，额定制冷量为14.5 kW，额定输入功率为4.54kW，转速为2880r/rain，额定工作电流为7.9A，制冷剂为R22。
如图1所示，系统工作原理为：带辅助进气口的涡旋压缩机排出的高温、高压制冷剂蒸气，经水冷冷凝器将热量传递给冷却介质后变为高温、高压的液体，升温后的冷却介质可作采暖使用(在本试验中水作为冷凝器的冷却介质，通过调节置于恒温水箱内的电加热器的电压以及冷凝机组冷却水的流量来稳定冷凝温度)。从冷凝器出来的高压制冷剂液体经储液器、过冷器、干燥过滤器以及电加热器(通过调节过冷器中冷却水的流量和电加热器电压可稳定过冷度)后分为2路：主路为普通热泵回路，辅路为补气回路的制冷剂液体直接进入经济器;辅路的制冷剂液体经电子膨胀阀降压后变为低压的气液混合物，也同时进入经济器，二者在经济器中进行热交换后，辅路的制冷剂变为气体后被压缩机的辅助进气口吸入，主路的制冷剂变为过冷液体经电子膨胀阀降压后进入量热器(本试验中为测试系统的制冷量，用量热器代替蒸发器)。在量热器内，主路的制冷剂吸收量热器中电加热器的热量而变为低压气体被压缩机吸气口吸入，主路和辅路的制冷剂在压缩机工作腔内混合，被压缩后排出压缩机，从而形成闭的工作回路。与普通热泵循环相比改造后的热泵系统有以下特点：
1)在原有热泵系统的基础上，增设了补气回路。补气回路中制冷剂经膨胀阀节流压力降低到介于冷凝压力和蒸发压力之间的中间压力，而后与主路制冷剂在经济器中进行热交换。
2)涡旋压缩机除原有的吸气口和排气口外，增加了补气口，补气回路制冷剂经经济器后变为蒸气，然后从补气口喷入压缩机。
3)关闭2个三通阀间的截止阀，同时开启补气回路截止阀，热泵系统按照改进后的补气循环工作，可增强系统低温性能;开启2个三通阀间的截止阀，同时关闭补气回路截止阀，系统将仍按普通制冷系统运行，不影响检测室测试普通制冷压缩机性能的基本功能。
1.3 试验测试内容
1)在冷凝温度45℃ ，蒸发温度分别为-6.7℃ ，-10℃ ，-15℃ ，-18℃ ，-20℃ 和-22℃ 计6个低温工况下，测试准二级压缩热泵用涡旋压缩机的低温制热性能指标随补气压力的变化;
2)对1)结果进行分析，得出准二级压缩热泵用涡旋压缩机低温制热工况下的最佳补气压力，而后将电子膨胀阀的开度设定到最佳值，分别测试在1)工况下普通热泵用涡旋压缩机和准二级压缩热泵用涡旋压缩机低温制热性能的差异。
二 试验结果与分析
2.1 制热性能测试
补气压力的大小是影响准二级压缩热泵用涡旋压缩机制热性能的重要参数，因此在冷凝温度为45℃ ，蒸发温度分别为-6.7℃ ，-10℃ ，-15℃ ，-18℃ ，-20℃ 和-22℃ 计6个低温工况下测试了准二级压缩热泵用涡旋压缩机运行时制热性能参数随补气压力变化的性能曲线。补气压力的变化是通过步进器调节电子膨胀阀的开度来实现的，以期找到准二级压缩热泵用涡旋压缩机运行的最佳补气压力。图2～ 图6为实测准二级压缩热泵用涡旋压缩机运行时的制热性能随补气压力的变化曲线。
2.1.1 相对补气量
图2为准二级压缩热泵用涡旋压缩机的相对补气
量随补气压力的变化情况。从图中可以看出，随着补气压力的升高，压缩机的相对补气量均增大。其主要原因是，在补气口大小以及压缩机补气口压力不变的情况下，补气压力越大则补气过程的压差就越大，所以相对补气量也就会越多。从图中还可以看出，在相同的中间压力下，蒸发温度越低压缩机的相对补气量就越大。这主要是由于随着蒸发温度的降低，蒸发压力也随之降低，在补气压力不变的情况下，补气过程的压差也会增大，从而导致相对补气量的增大。总之，补气压力的升高和系统蒸发温度的降低，都会使得准二级压缩热泵用涡旋压缩机相对补气量有所增加。
2.1.2 制热量
图3是准二级压缩热泵用涡旋压缩机制热量随补气压力的变化情况。从图中可以看出，制热量随中间压力增加有缓慢升高的趋势。制热量随中间压力变化的这一特性给热泵机组的设计与制造带来了极大的便利，因为在设计与制造时不需要任何严格保证中间压力的措施。在其他条件不变时，补气压力变大意味着补气量的增加，增大补气量不仅使冷凝器中制冷剂流量增加，而且也使压缩的功率消耗增加，这二者均能增大冷凝器的热负荷，相应地压缩机制热量也应增加。但补气量的增加改善了压缩过程后半部分的冷却效果，使压缩机排气的焓有所降低，从而导致单位制热量的降低，因此随着补气压力的升高，压缩机的制热量缓慢地增加。从图中还可以看出，制热量随蒸发温度降低而减少，但减少的速度不一样。当蒸发温度从-10℃ 降低到-15℃时，制热量的降低在13%以上;当蒸发温度从-18℃ 降低到-22℃ 时，制热量的降低仅在8%以内。这说明：在较低蒸发温度时补气量占系统工质循环量的比例较大，补气的效果明显;在较高蒸发温度时补气量所占比例较小，补气的效果相对不太明显。
2.1.3 电动机功率
图4是准二级压缩热泵用涡旋压缩机电动机功率随补气压力的变化情况。从图中可以看出，压缩机的电动机功率随补气压力的增加而增加，但增加的幅度不大。在测试工况范围内，电动机功率的最大值与最小值只相差10 左右。其原因是：由前面的分析可知，当补气压力升高时，使补气过程的压力差增大，补气量明显增大，致使压缩功增大;另一方面，补气压力升高增加了补气量，可以改善压缩过程后半部分的冷却效果，使压缩机排气的焓有所降低，这又使压缩功降低，但前者是影响电动机功率的主要因素。
2.1.4 制热COP
图5是准二级压缩热泵用涡旋压缩机制热COP随补气压力的变化情况。从图中可以看出，压缩机的制热COP几乎不随补气压力的升高而变化，最大制热COP与最小制热COP相差在8 以内。这主要是因为随着补气压力的升高，系统的制热量升高，但是压缩机耗功也逐渐升高。当制热量增长的速率高于压缩机耗功增长的速率时，制热COP将会升高;而当制热量增长的速率低于压缩机耗功增长的速率时，制热COP将会降低。
2.1.5 排气温度
图6是准二级压缩热泵用涡旋压缩机排气温度随补气压力的变化情况。从图中可以看出，压缩机排气温度随补气压力升高而显著降低。在测试工况范围内，各工况的压缩机排气温度最大值与最小值相差超过20℃ ，这主要是由于随着补气压力的升高补气量增大的结果。涡旋压缩机的补气过程很大程度上改善了压缩过程后半部分的冷却效果，使压缩机排气的焓有所降低，使得压缩机排气温度降低。准二级压缩热泵用涡旋压缩机最大优点在于在低温工况下运行时排气温度较低。如图所示，当补气压力在1 230 kPa附近时，在蒸发温度为一22℃ 的工况下，压缩机排气温度为127℃(接近130℃ 的极限)。随着补气压力的升高，排气温度逐渐降低。故从准二级压缩热泵用涡旋压缩机低温运行的可靠性方面分析，补气压力应高于1230kPa。
综合以上分析，在相同工况下，增大辅助回路的补气压力，可以增加进入压缩机辅助进气口的制冷剂流量，同时增大流过冷凝器的制冷剂流量，因此可以提高压缩机的制热量，但是同时也付出了一定的代价，即增大压缩机的电功率。从提高制热量的角度来看，当然补气压力越大越好。但是笔者关心的不仅仅是压缩机的制热量，更关心的是压缩机的制热COP以及压缩机的运行可靠性。而通过以上的分析，在各工况下压缩机制热COP随补气压力变化很小，而排气温度变化较大。当补气压力在1 230 kPa附近时，在蒸发温度为一22℃ 的工况下，压缩机排气温度为127℃ ，接近R22压缩机排气温度最高130℃ 的极限。随着补气压力的升高，排气温度逐渐降低。因此从提高压缩机制热量、制热COP及运行的可靠性(保持较低的排气温度)的角度来看，补气压力应高于1230kPa。
2.2 与普通热泵系统的性能比较
从表1中可以看出，与普通热泵用涡旋压缩机相比，准二级压缩热泵用涡旋压缩机在蒸发温度为-10℃ 的工况下，制热量提高7.65%，电功率提高1.30%，制热COP提高6.39%，排气温度降低20.52℃ ;在蒸发温度为-15℃的工况下，制热量提高9.04% ，电功率提高1.32%，制热COP提高7.72%，排气温度降低20.36℃ ，可见在低温工况下运行时，准二级压缩热泵用涡旋压缩机在提高制热性能系数和降低压缩机的排气温度方面效果很明显。
三、结论
1)无论从改进涡旋压缩机低温制热能力的角度，还是从涡旋压缩机运行可靠性的角度考虑，准二级压缩热泵用涡旋压缩机的最佳补气孔口的位置应开设在靠近吸气腔刚刚闭合处的角度附近(即第二工作腔的起始段附近)，并且保证补气压缩结束时压缩腔中的制冷剂压力小于中间补气压力;
2)对于补气口开设于吸气腔刚刚闭合后的临近区域的准二级压缩热泵用涡旋压缩机，在低温制热工况下运行时，在提高制热量和制热COP及降低压缩机的排气温度方面较普通热泵用涡旋压缩机有着明显的优势;
3)从提高准二级压缩热泵用涡旋压缩机制热量、制热COP及运行的可靠性(保持较低的排气温度)的角度来看，补气压力应高于1230kPa：
4)在低温工况下运行时，准二级压缩热泵用涡旋压缩机在提高制热性能系数和降低压缩机的排气温度方面效果很明显。准二级压缩热泵用涡旋压缩机是寒冷地区用小型空气源热泵比较适宜采用的压缩机。